Silicon on insulator ( SOI , angl. Silicon on insulator , SOI ) je technologie výroby polovodičových součástek založená na použití třívrstvého substrátu s křemíkovou - dielektricko - křemíkovou strukturou namísto běžně používaných monolitických křemíkových waferů . Tato technologie umožňuje dosáhnout výrazného zvýšení rychlosti mikroelektronických obvodů při současném snížení spotřeby energie a celkových rozměrů [1] . Takže například maximální spínací frekvence tranzistorů (Ft), vyrobených podle technologického procesu 130 nm, může dosáhnout 200 GHz[2] [3] . V budoucnu při přechodu na technologické procesy s menší velikostí aktivních prvků [4] (již existujících 22 nm, nebo teprve vyvíjených[ kdy? ] 10 nm), je možné ještě větší zvýšení tohoto indikátoru. Kromě samotného názvu technologie se často používá také termín „křemík na izolátoru“ jako název povrchové vrstvy křemíku ve struktuře SOI.
Substrát křemíku na izolátoru je třívrstvý obal, který se skládá z monolitického křemíkového plátku, dielektrika a tenké křemíkové povrchové vrstvy umístěné na něm. Jako dielektrikum může působit oxid křemičitý SiO 2 nebo mnohem méně často safír (v tomto případě se tato technologie nazývá „ křemík na safíru “ nebo SOS ) . Další výroba polovodičových součástek pomocí výsledného substrátu se v podstatě neliší od klasické technologie, kdy je jako substrát použit monolitický křemíkový plátek.
Technologie SOI nachází uplatnění především v digitálních integrovaných obvodech (zejména v mikroprocesorech ), z nichž většina je v současnosti implementována pomocí CMOS (komplementární logika na MOSFETech ). Při sestavování obvodu pomocí této technologie se většina spotřebované energie spotřebuje na nabití parazitní kapacity izolačního přechodu v okamžiku, kdy se tranzistor přepne z jednoho stavu do druhého, a doba, během které k tomuto nabití dojde, určuje celkovou rychlost obvod. Hlavní výhodou SOI technologie je, že díky tenkosti povrchové vrstvy a izolaci tranzistoru od křemíkové báze je možné mnohonásobně snížit parazitní kapacitu a tím zkrátit dobu jejího nabíjení, spojenou se spotřebou energie. .
Další výhodou technologie SOI je její vynikající radiační odolnost vůči ionizujícímu záření, proto je tato technologie široce používána pro letecká a vojenská elektronická zařízení.
Nevýhodou SOI technologie je vysoká cena.
V současnosti jsou nejrozšířenější substráty SOI, kde jako izolant působí oxid křemičitý. Takové substráty lze získat různými způsoby, z nichž hlavní jsou: iontová implantace , sestřih destiček , řízené štěpení a epitaxe [5] .
Technologie iontové implantace je také známá jako iontová implantace, kyslíková implantace, iontová syntéza skrytých dielektrických vrstev a SIMOX ( Separation by IM plantation of OX ygen ). Při použití této technologie je monolitický křemíkový plátek vystaven intenzivnímu nasycení kyslíkem bombardováním povrchu plátku jeho ionty , následovaným žíháním při vysoké teplotě, v důsledku čehož se na oxidu vytvoří tenká povrchová vrstva křemíku. vrstva. Hloubka průniku iontů nečistot závisí na jejich energetické hladině, a protože technologie SOI předpokládá dostatečně velkou tloušťku izolační vrstvy, musí se při výrobě substrátů používat komplexní silnoproudé urychlovače kyslíkových iontů . To způsobuje vysokou cenu substrátů vyrobených touto technologií a vysoká hustota defektů v pracovních vrstvách je vážnou překážkou pro masovou výrobu polovodičových součástek.
Při použití technologie wafer bonding se tvorba povrchové vrstvy provádí přímým spojováním druhého křemíkového plátku vrstvou oxidu . K tomu jsou desky hladké, očištěné a aktivované chemickým nebo plazmovým zpracováním podrobeny stlačení a žíhání, v důsledku čehož na rozhraní desky probíhají chemické reakce zajišťující jejich spojení [6] . Tato technologie je prakticky ideální pro zhotovování SOI substrátů se silnou povrchovou vrstvou, ale s klesající její tloušťkou začíná narůstat hustota defektů v pracovní vrstvě a navíc se technologický proces zkomplikuje a v důsledku toho i náklady na hotové výrobky rostou. Výsledkem je, že substráty s tloušťkou povrchové vrstvy menší než jeden mikrometr, které jsou nejvíce žádané při výrobě vysokorychlostních obvodů s vysokým stupněm integrace, mají stejný soubor nevýhod jako substráty vyrobené technologií iontové implantace [ 5] .
Technologie řízeného štěpení ( angl. Smart Cut ), vyvinutá francouzskou společností Soitec , kombinuje vlastnosti iontové implantace a technologie sestřihu plátků [7] . Tento proces využívá dvou monolitických křemíkových plátků. První deska prochází tepelnou oxidací, což má za následek vytvoření vrstvy oxidu na jejím povrchu, poté je horní přední plocha podrobena nasycení vodíkovými ionty pomocí technologie vkládání iontů. Díky tomu se v waferu vytvoří štěpná oblast, po jejímž okraji bude procházet separace zbývající hmoty křemíku. Po dokončení postupu vkládání iontů se destička převrátí a položí lícem dolů na druhou destičku, načež se spojí. V konečné fázi se provádí oddělení první desky, v důsledku čehož na povrchu druhé zůstane vrstva oxidu a tenká povrchová vrstva křemíku. Oddělená část první desky je použita v novém výrobním cyklu.
Výroba substrátů SOI technologií řízeného štěpení vyžaduje velké množství operací, při jejím procesu se však používá pouze standardní zařízení. Kromě toho je důležitou výhodou desek získaných touto technologií nízká hustota defektů v pracovní vrstvě.
V případě použití epitaxní technologie ( anglicky seed method ) je povrchová vrstva tvořena narůstáním křemíkového filmu na povrchu dielektrika. Aktivní prvky vyrobené na takových substrátech vykazují vynikající výkon, ale stále existuje velké množství technologických problémů spojených s epitaxním procesem[ kdy? ] neposkytují příležitosti pro masové zavedení této technologie.
Níže je uveden seznam řady zařízení vyrobených pomocí substrátů SOI.
Devátá generace procesorů Intel Core 2 vyrobená procesní technologií 65 nm je naopak vyrobena na bázi konvenčních monolitických křemíkových waferů.